CN110986700A - 一种爆心定位测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种爆心定位测试装置与方法。具体包括一种用于爆心位置定位的测试装置，该装置可用于动爆场景下的爆心位置确定。该结构主要包括爆心定位测试装置安装基座(1)，盖板(2)，压力敏感膜片(3)，压紧螺栓(4)，螺栓安装孔(5)，压力敏感膜片密封槽(6)，压力敏感膜片引压孔(7)，指南针(8)，水平泡(9)和滚珠(10)组成。本发明采用的爆心定位测试装置主体为金属材料制成，装置结构简单，操作方便，成本低廉，使用时将爆心定位测试装置安装于待测区域地表，对爆炸场不会产生干扰，可测量多个测点组合以后的任意方位的爆心具体位置。

Description

一种爆心定位测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种爆心定位测试装置与方法，属于爆炸与冲击测试技术领域，主要用于弹药动态爆炸爆心位置测量。

背景技术

当前随着贴近实战化演习或训练活动的增加，对动爆试验需求加大，需要对动爆威力场进行分析。动爆试验与静爆试验相比，显著的特点在于弹药爆炸时爆心位置不确定，若不进行精确测量，影响到爆炸威力场构建以及对目标毁伤效果评估。因此精确获取弹药炸点位置，对于毁伤过程研究具有重要意义。

目前常用的获取动态炸点位置的方法主要有图像法、地震波定位法、声定位法、传感器时间差法等。图像法主要是采用双目CCD测试系统，通过获取动态影像图片及标定距离，读取图片中爆心位置，具有可视化特点，但图像法操作复杂，受环境光线强度影响较重，一般视场有限，与现场布设角度、方位、图像精度有很大关系，数据获取率较低，且设备可能被爆炸产生的破片损坏，成本较高。地震波定位法主要利用炸点作用于地面不同位置处产生的地震波到达时间差进行定位，受现场地形环境及地质条件影响较大；声定位法利用不同位置处接收的爆源声音进行定位，精度易受风速、风向及环境温度等影响，测试误差也较大。传感器时间差法，利用冲击波到达测点处传感器的时间差以及测点几何关系进行爆心位置测定，但电测系统现场布设较为繁琐，测试线缆容易损坏，测试范围有限，且要保证仪器的可靠触发。

鉴于上述方法的缺点，可采用一种爆心定位测试装置及方法作为获取爆心位置的一种手段，它主要利用金属压力敏感膜片在不同方向掠入冲击波作用下最大挠度位置变化，通过图像处理法提取膜片几何中心及最大挠度位置像素信息来确定冲击波作用方向，再由不同测点冲击波作用方向及测点几何位置关系就可以确定爆心位置。一种爆心定位测试装置结构简单，操作方便，成本低廉，可多点布设提高使用范围，有效减小丢失数据的风险。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明提供一种用于爆心位置定位的测试装置和一种爆心位置定位的测试方法，通过图像处理法提取膜片几何中心及最大挠度位置像素信息，根据测点几何位置关系确定爆心位置。

为了实现上述目标，本发明采取如下的技术解决方案：

一种爆心定位测试装置，包括爆心定位测试装置安装基座，盖板，压力敏感膜片，压紧螺栓，螺栓安装孔，压力敏感膜片密封槽，压力敏感膜片引压孔，指南针，水平泡和滚珠，其特征在于：

所述安装基座，材质为碳素钢，圆形结构；

所述盖板，材质为碳素钢，圆形薄板结构，直径与安装基座上表面相等，盖板上均匀分布6个螺栓安装孔；

所述压力敏感膜片，材质为金属材料，圆形膜片，固定于安装基座和盖板之间；

所述压紧螺栓，为标准螺栓结构，通过螺栓安装孔将压力敏感膜片近似固支；

所述压力敏感膜片密封槽为中空结构，深度大于压力敏感膜片最大变形挠度；

所述压力敏感膜片引压孔在盖板上，为外倒角60度的通孔，压力敏感膜片引压孔底部直径即压力敏感膜片的工作直径；

所述指南针由刻度盘和指针组成，所述刻度盘为圆盘结构，嵌于盖板内；

所述水平泡，材质为聚四氟乙烯，内部充水，圆形结构，嵌于盖板内；

所述滚珠，材质为不锈钢，靠重力自由滚动到压力敏感膜片最大挠度处；

所述安装基座与盖板、压力敏感膜片通过压紧螺栓和螺栓安装孔和压紧螺栓连接，与指南针，水平泡和滚珠组成所述一种爆心定位测试装置。

一种爆心位置定位测试方法，具体包括如下步骤：

步骤1：虚拟坐标系构建

在试验场地构建以正北方向为Y轴、顺时旋转轴为X轴的的右手法则虚拟直角坐标系；

步骤2：爆心定位测试装置安装

在虚拟坐标系中选定3个不在同一条线上的点定为测点1、测点2和测点3，将3套爆心定位测试装置安装在地表待测位置，利用水平泡使测试装置上表面与地表平齐，安装时保证每个测试点的压力敏感膜片在同一水平面上，并使测试装置所带指南针刻度盘0°均指向正北方向，即Y轴方向。

步骤3：测点相对位置记录

定义测点1中心点A坐标为(X₁，Y₁)，记录测点2和测点3中心相对测点1水平距离差ΔX和垂直距离差ΔY，以及相对正北方向的相对偏转角Δθ，利用其几何关系，确定测点2中心C点坐标为(X₂，Y₂)和测点3中心E点坐标为(X₃，Y₃)。

步骤4：试验前，将指南针与水平泡取回。试验完毕后，重新利用水平泡使测试装置上表面与地表平齐，将滚珠置于变形后的压力敏感膜片，将相机镜头垂直固定于安装基座正上方，并保证一定的光强亮度，对试验后的3个压力敏感膜片变形状态进行拍照。

步骤5：将3幅压力敏感膜片变形后的照片导入专用程序，利用程序分别识别测点1、测点2和测点3压力敏感膜片几何中心像素点坐标A(M₁，N₁)、C(M₃，N₃)、E(M₅，N₅)和滚珠中心像素点坐标B(M₂，N₂)、D(M₄，N₄)、F(M₆，N₆)。并求出

与X轴正向夹角分别为α₁、α₂、α₃则，

步骤6：根据任意两点计算爆心坐标，利用步骤5计算所得方位角求解爆心坐标，通过任意两压力敏感膜片中心点坐标和所测爆心方位角求爆心坐标，如已知A(X₁，Y₁)、C(X₂，Y₂)，和方位角α₁、α₂，令爆心O坐标为(x_o,y_o)，则存在

求解得

同理，已知测点1中A(X₁，Y₁)、测点3中E(X₃，Y₃)，和方位角α₁、α₃，可求出圆心坐标(x'_o,y'_o)；已知测点2中C(X₂，Y₂)、测点3中E(X₃，Y₃)，和方位角α₂、α₃，可求出圆心坐标(x”_o,y”_o)。

步骤7：最终爆心坐标的确定

当出现tanα₁≠tanα₂≠tanα₃，可对测点1、测点2和测点3确定的爆心坐标取平均值，从而提高测试精度，设最终求解爆心坐标为(x,y)，求解方程如下：

当出现tanα₁＝tanα₂≠tanα₃表明爆心落在测试点1和测试点2连线上，无法通过步骤6测点1和测点2计算爆心坐标，则对测点3和测点1确定的爆心坐标以及测点3和测点2确定的爆心坐标取平均值，得到最终爆心坐标，计算公式为：

当出现tanα₁≠tanα₂＝tanα₃表明爆心落在测试点1和测试点3连线上，无法通过步骤6测点2和测点3计算爆心坐标，则对测点1和测点2确定的爆心坐标以及测点1和测点3确定的爆心坐标取平均值，得到最终爆心坐标，计算公式为：

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

(1)本发明所用压力敏感膜片使用时需埋入试验场地，不影响其它爆炸参数的测试；

(2)本发明所用压力敏感膜片成本较低，操作方便，可快速测量弹药动爆场景下的爆心位置。

附图说明

图1是依据本发明的一种爆心定位测试装置结构示意图，

图2是本发明爆心坐标计算原理图。

图3是本发明实施例1爆心坐标计算示意图。

图4是本发明实施例2爆心坐标计算示意图。

图中1.安装基座，2.盖板，3.压力敏感膜片，4.压紧螺栓，5.螺栓安装孔，6.压力敏感膜片密封槽，7.压力敏感膜片引压孔，8.指南针，9.水平泡，10.滚珠。

具体实施方式

下面详细说明本发明的具体实施方式。

实施例1：

选用质量1kg的TNT炸药进行静爆试验，采用本发明爆心定位方法对爆炸中心进行测定。

步骤1：在试验场地建立直角坐标系，X坐标轴指向正东，Y坐标轴指向正北，用白灰画出2条坐标轴；

步骤2：在虚拟坐标系中选定3个点定为测试点，为方便计算，将2条坐标轴交点设为其中1个测试点，将3套爆心定位测试装置安装在地表待测位置，利用水平泡使测试装置上表面与地表平齐，安装时保证每个测试点的压力敏感膜片在同一水平面上，并使测试装置所带指南针刻度盘0°均指向正北方向，即Y轴正方向。

步骤3：测点相对位置记录

记录测试点1中心点坐标A(0m，0m)，测点2相对测点1水平距离差ΔX和垂直距离差ΔY分别为1.73m和1m，相对正北方向的相对偏转角Δθ约为30.03°。测点3相对测点1水平距离差ΔX和垂直距离差ΔY分别为1.73m和-1m，相对正北方向的相对偏转角Δθ约为120°，则测点2中心C点坐标为(1.73m，1m)，测点3中心E点坐标为(1.73m，-1m)。

步骤4：在试验场地选取一点作为爆心，布置TNT炸药试样，用钢卷尺测量并记录爆心坐标(1.5m，2m)，用作与本发明方法测量计算结果进行比较。将炸药试样起爆后，重新利用水平泡使测试装置上表面与地表平齐，将滚珠置于变形后的压力敏感膜片，将相机定位遮光筒垂直固定于安装基座上，利用相机定位遮光筒分别将相机镜头垂直固定于3套压力敏感膜片正上方，对试验后的3个压力敏感膜片变形状态进行拍照。

步骤5：将3幅压力敏感膜片变形后的照片导入专用程序，利用程序分别识别压力敏感膜片中心和滚珠中心，定义压力敏感膜片1中心、滚珠1中心、压力敏感膜片2中心、滚珠2中心、压力敏感膜片3中心、滚珠3中心分别为A、B、C、D、E、F，通过程序提取并记录压力敏感膜片与滚珠中心像素点坐标：

表1各测点压力敏感元件及滚珠像素点坐标

对应位置	水平向像素点	垂直向像素点
			A	385	249
B	340	189
			C	389	245
D	454	227
			E	388	247
F	391	209

可以求出

与X轴正向夹角为53.13°，

与X轴正向夹角为105.48°。

与X轴正向夹角为94.51°

步骤6：计算任意两点爆心坐标，

依据公式

计算得爆心坐标(x_o,y_o)、(x'_o,y'_o)和(x”_o,y”_o)分别为(1.47m，1.96m)、(1.49m，1.99m)和(1.50m，1.80m)。

步骤7：爆心坐标的确定

经判断，tanα₁≠tanα₂≠tanα₃，由测点1、测点2和测点3确定的爆心坐标平均值：

最终求解爆心坐标为(1.49,1.92)。

实施例2

选用质量1kg的TNT炸药进行静爆试验，采用本发明爆心定位方法对爆炸中心进行测定。

步骤1：在试验场地建立直角坐标系，X坐标轴指向正东，Y坐标轴指向正北，用白灰画出2条坐标轴；

步骤2：在虚拟坐标系中将3套爆心定位测试装置安装在地表待测位置，利用水平泡使测试装置上表面与地表平齐，安装时保证每个测试点的压力敏感膜片在同一水平面上，并使测试装置所带指南针刻度盘0°均指向正北方向，即Y轴正方向。

步骤3：测点相对位置记录

记录测试点1中心点坐标A(0m，1.73m)，测点2相对测点1水平距离差ΔX和垂直距离差ΔY分别为2m和0m，相对正北方向的相对偏转角Δθ约为0°。测点3相对测点1水平距离差ΔX和垂直距离差ΔY分别为1m和-1.73m，相对正北方向的相对偏转角Δθ约为150°，则测点2中心C点坐标为(2m，1.73m)，测点3中心E点坐标为(1m，0m)。

步骤4：在试验场地选取一点作为爆心，布置TNT炸药试样，用钢卷尺测量并记录爆心坐标(4m，1.73m)，用作与本发明方法测量计算结果进行比较。将炸药试样起爆后，重新利用水平泡使测试装置上表面与地表平齐，将滚珠置于变形后的压力敏感膜片，将相机定位遮光筒垂直固定于安装基座上，利用相机定位遮光筒分别将相机镜头垂直固定于3套压力敏感膜片正上方，对试验后的3个压力敏感膜片变形状态进行拍照。

步骤5：将3幅压力敏感膜片变形后的照片导入专用程序，利用程序分别识别压力敏感膜片中心和滚珠中心，定义压力敏感膜片1中心、滚珠1中心、压力敏感膜片2中心、滚珠2中心、压力敏感膜片3中心、滚珠3中心分别为A、B、C、D、E、F，通过程序提取并记录压力敏感膜片与滚珠中心像素点坐标：

表2各测点压力敏感元件及滚珠像素点坐标

对应位置	水平向像素点	垂直向像素点
			A	385	249
B	285	248
			C	389	245
D	318	246
			E	388	247
F	303	198

可以求出

与X轴正向夹角为0.57°，

与X轴正向夹角为-0.81°。

与X轴正向夹角为29.96°

步骤6：计算任意两点爆心坐标，

经判断

表明爆心落在测试点1和测试点2连线上，无法利用测点1和测点2坐标计算爆心，则需选用测试点3和测试点1或测试点2计算爆心坐标，计算公式为：

依据公式

计算得爆心坐标(x'_o,y'_o)和(x”_o,y”_o)分别为(4.07m，1.77m)和(3.95m，1.70m)。

步骤7：爆心坐标的确定

由测点3和测点1确定的爆心坐标以及测点3和测点2确定的爆心坐标取平均值，由计算公式：

最终求解爆心坐标为(4.01,1.74)。

通过实施例1、实施例2的静态爆炸试验验证，本发明所测爆心坐标与实地用卷尺测量结果基本一致，说明本发明爆心定位方法原理正确，方法切实可行。测试装置被埋入试验场地，因此对爆炸场不产生干扰，不影响其它爆炸参数的测试；依据本发明的测试装置使用时埋入被测场地，被爆炸破片损坏的可能性较低；依据本发明的测试装置结构简单、操作方便、成本低，可通过多点布设的方法提高测试精度及使用范围。采用本发明方法可以用来测定爆心位置，并可根据所测爆心位置计算爆心方位角。

Claims (5)

1.一种爆心定位测试装置，包括爆心定位测试装置安装基座(1)，盖板(2)，压力敏感膜片(3)，压紧螺栓(4)，螺栓安装孔(5)，压力敏感膜片密封槽(6)，压力敏感膜片引压孔(7)，指南针(8)，水平泡(9)和滚珠(10)，其特征在于：

所述安装基座(1)，材质为碳素钢，圆形结构；

所述盖板(2)，材质为碳素钢，圆形薄板结构，直径与安装基座(1)上表面相等，盖板(2)上均匀分布6个螺栓安装孔(5)；

所述压力敏感膜片(3)，材质为金属材料，圆形膜片，固定于安装基座(1)和盖板(2)之间；

所述压紧螺栓(4)，为标准螺栓结构，通过螺栓安装孔(5)将压力敏感膜片(3)近似固支；

所述压力敏感膜片密封槽(6)为中空结构，深度大于压力敏感膜片最大变形挠度；

所述压力敏感膜片引压孔(7)在盖板(2)上，为外倒角60度的通孔，压力敏感膜片引压孔(6)底部直径即压力敏感膜片(3)的工作直径；

所述指南针(8)由刻度盘和指针组成，所述指南针为盘形结构，嵌于盖板(2)内；

所述水平泡(9)，材质为聚四氟乙烯，内部充水，圆形结构，嵌于盖板(2)内；

所述滚珠(10)，材质为不锈钢，靠重力自由滚动到压力敏感膜片(3)最大变形挠度处；

所述安装基座(1)与盖板(2)、压力敏感膜片(3)通过压紧螺栓(4)和螺栓安装孔(5)和压紧螺栓(4)连接，与指南针(8)，水平泡(9)和滚珠(10)组成所述一种爆心定位测试装置。

2.根据权利要求书1所述一种爆心定位测试装置，其特征在于，所述爆心定位测试装置安装基座(1)上表面直径150mm，下表面直径75mm。

3.根据权利要求书1所述一种爆心定位测试装置，其特征在于，所述压力敏感膜片(3)厚度为0.2mm，工作直径50mm。

4.根据权利要求书1所述一种爆心定位测试装置，其特征在于，所述滚珠(10)直径为3mm。

5.一种使用如权利要求书1所述一种爆心位置定位测试方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：虚拟坐标系构建

在试验场地构建以正北方向为Y轴、顺时旋转轴为X轴的的右手法则虚拟直角坐标系；

步骤2：爆心定位测试装置安装

在虚拟坐标系中选定3个不在同一条线上的点定为测点1、测点2和测点3，将3套爆心定位测试装置安装在地表待测位置，利用水平泡使测试装置上表面与地表平齐，安装时保证每个测试点的压力敏感膜片在同一水平面上，并使测试装置所带指南针刻度盘0°均指向正北方向，即Y轴方向。

步骤3：测点相对位置记录

定义测点1中心点A坐标为(X₁，Y₁)，记录测点2和测点3中心相对测点1中心的水平距离差ΔX和垂直距离差ΔY，以及相对正北方向的相对偏转角Δθ，利用其几何关系，确定测点2中心C点坐标为(X₂，Y₂)和测点3中心E点坐标为(X₃，Y₃)。

步骤4：试验前，将指南针与水平泡取回。试验完毕后，重新利用水平泡使测试装置上表面与地表平齐，将滚珠置于变形后的压力敏感膜片之上，将相机镜头垂直固定于安装基座正上方，并保证一定的光强亮度，对试验后的3个压力敏感膜片变形状态进行拍照。

步骤5：将3幅压力敏感膜片变形后的照片导入专用程序，利用程序分别识别测点1、测点2和测点3压力敏感膜片几何中心像素点坐标A(M₁，N₁)、C(M₃，N₃)、E(M₅，N₅)和滚珠中心像素点坐标B(M₂，N₂)、D(M₄，N₄)、F(M₆，N₆)。并求出

与X轴正向夹角分别为α₁、α₂、α₃则，

步骤6：根据任意两点计算爆心坐标，利用步骤5计算所得方位角求解爆心坐标，通过任意两压力敏感膜片中心点坐标和所测爆心方位角求爆心坐标，如已知A(X₁，Y₁)、C(X₂，Y₂)，和方位角α₁、α₂，令爆心O坐标为(x_o,y_o)，则存在

求解得

同理，已知测点1中A(X₁，Y₁)、测点3中E(X₃，Y₃)，和方位角α₁、α₃，可求出圆心坐标(x'_o,y'_o)；已知测点2中C(X₂，Y₂)、测点3中E(X₃，Y₃)，和方位角α₂、α₃，可求出圆心坐标(x″_o,y″_o)。

步骤7：最终爆心坐标的确定

当出现tanα₁≠tanα₂≠tanα₃，可对测点1、测点2和测点3确定的爆心坐标取平均值，从而提高测试精度，设最终求解爆心坐标为(x,y)，求解方程如下：

当出现tanα₁＝tanα₂≠tanα₃表明爆心落在测试点1和测试点2连线上，无法通过步骤6公式由测点1和测点2计算爆心坐标，则取测点3和测点1确定的爆心坐标以及测点3和测点2确定的爆心坐标求平均值，得到最终爆心坐标，计算公式为：

当出现tanα₁≠tanα₂＝tanα₃表明爆心落在测试点1和测试点3连线上，也无法通过步骤6公式由测点2和测点3计算爆心坐标，则取测点1和测点2确定的爆心坐标以及测点1和测点3确定的爆心坐标求平均值，得到最终爆心坐标，计算公式为：

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